《电子线路CAD》实验讲义.doc

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1、电子线路CAD实验讲义赵雪英编2012.3前 言随着大规模集成电路和计算机技术的迅速发展，电子电路的分析与设计方法发生了重大变革。以计算机辅助设计(CAD：Computer Aider Design)为基础的电子设计自动化技术(EDA)已广泛应用于集成电路与系统的设计之中。它改变了以定量估算和电路实验为基础的传统设计方法，成为现代电子系统设计的关键技术之一，是必不可少的工具和手段。模拟集成电路的仿真工具，是众多EDA工具中的一个重要的组成部分。由于模拟电路在性能上的复杂性和电路结构上的多样性，对仿真工具的精度、可靠性、收敛性及速度等都有相当高的要求。国际上公认的模拟电路通用仿真工具是美国加州大

2、学伯克利分校开发的SPICE程序，该程序收敛性好，适于做系统及电路级仿真。1984年，MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版本PSPICE（Personal- SPICE）。此后各种版本的PSPICE不断问世，功能也越来越强。目前，PSPICE软件的使用已经非常流行。在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。本实验讲义是电子线路CAD课程的上机实验部分的内容，通过多进行上机练习，希望同学们能够掌握PSPICE这一强大电路仿真软件的应用，进而加强对模拟电路的理解、分析和设计的能力。2012.3目 录实验一 熟悉PSP

3、ICE环境及电路图的绘制1实验二 直流工作点分析、直流灵敏度分析5实验三 直流传输特性、直流特性扫描分析9实验四 交流小信号频率特性分析、噪声分析13实验五 瞬态特性分析22实验六 温度分析、参数扫描分析28实验七 蒙托卡诺分析、最坏情况分析33实验八 综合实验41实验一 熟悉PSPICE环境及电路图的绘制一 实验目的： 1.熟悉OrCAD/PSPICE环境2.掌握PSPICE中电路图的绘制二 实验内容：（一）熟悉OrCAD/PSPICE环境（二）PSPICE中电路图的绘制（1）新建设计项目 （2）选定设计项目类型 注意：存储位置路径不能含有中文字符。（3）配置元器件符号库 对于学生版软件：

4、元件库位于OrCAD_democapturelibraryPSPICE下，只有8个库文件。 配置库文件的方法：placepartadd library （4）取放元器件：Capture中，菜单：Place/Part或命令按钮：（5）取放电源与接地符号电源：Capture中，菜单：Place/Power或 命令按钮：Place/PartSource库中 VDC,VAC等。注意：1.CAPSYM库中的4种电源符号和接地符号仅仅是一种符号，本身不具备任何电压值。2.SOURCE库中的电源和地符号真正代表一种激励电源，其电压值可以设定。地：Capture中，菜单Place/Groud 或命令按钮，将其

5、属性值设置为0。（6）连线及设置节点名设置节点名：Capture中，菜单：Place/Net Alias 或命令按钮：小结：绘图快捷键绘制图1。图1实验二 直流工作点分析、直流灵敏度分析一 实验目的：1.掌握直流工作点分析；2.掌握直流灵敏度分析。二 实验内容：（一）直流工作点分析静态：当Ui=0时，放大电路处于静态。静态（直流）工作点： 分析类型及参数设置：*1.对图2.1所示阻容耦合共射放大电路进行直流工作点分析并记录数据。(gongzuodian)图2.1阻容耦合共射放大电路步骤：（1）用Capture画好电路图2.1（2）建立模拟类型分组：PSPICE/New Simulation P

6、rofile输入Name：gongzuodian，然后点击Create。（3）设置分析类型和参数（4）运行PSPICE菜单：PSPICE/Run 或 命令按钮（5）查看分析结果Capture窗口中，命令按钮 和 详细分析结果可查看输出文件.OUT：PSPICE A/D中，View/Output File 或 命令按钮 。（二）直流灵敏度分析*1.对图2.2进行直流灵敏度分析并记录数据(linmindu)。图2.2直流灵敏度分析步骤：（1）用Capture软件画好电路图。（2）建立模拟类型分组并设置参数。（3）运行并查看分析结果。*2.设计电路：用灵敏度分析设计单管放大电路的静态工作点。初始电路

7、如图2.3所示，要求调整适当的元件参数，使晶体管Q1的ICQ(10.1)mA(li2_3_1)图2.3 实验三 直流传输特性、直流特性扫描分析一 实验目的：1.掌握直流传输特性分析；2.掌握直流特性扫描分析。二 实验内容： （一）直流传输特性分析*1.求图3.1电路的直流小信号传输特性：即电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。（zhiliuchuanshu）图3.1直流传输特性分析步骤：（1）用Capture软件画好电路图。（2）建立模拟类型分组并设置参数。（3）运行并查看结果。（二）直流特性扫描分析1.单管放大电路如图3.2所示，求：调节Vbb，使。(li2_2_1)图3.2直流特性扫描分析步骤

8、：（1）用Capture软件画好电路图。（2）建立模拟类型分组并设置参数。（3）运行并查看结果。当Vbb=0.782V时，。2.三极管的输出特性曲线测试。（shuchutexing）图3.3三极管的输出特性曲线测试3.三极管的输入特性曲线测试(shurutexing) 图3.4三极管的输入特性曲线测试*4.一个单管放大电路如图3.5所示，求： 调节Vbb,使ICQ12mA；计算ICQ12mA时电路的直流工作点；计算电路的电压增益和输入、输出电阻；求out节点电压的直流灵敏度。（li2_2_1）图3.5实验四 交流小信号频率特性分析、噪声分析一 实验目的：1.掌握交流小信号频率特性分析；2.掌握

9、噪声分析。二 实验内容： （一）交流小信号频率特性分析*1.分析图4.1差动放大电路的频率特性。（ac）图4.1步骤：（1）用Capture软件画好电路图。信号源Vs选交流电压源VAC，幅值为1V。（2）建立模拟类型分组并设置参数。（3）运行并查看曲线。幅频响应：在Probe窗口中，TraceAdd Trace（），在“Trace Expression”文本框中键入V（Vo1，Vo2），即显示双端输出的幅频响应。 或放置器件。分贝图：在Probe窗口中， TraceAdd Trace（），在“Trace Expression”文本框中键入VDB（Vo1，Vo2），即显示以分贝为单位的幅频响应。

10、相频响应：点选PlotAdd Y Axis ，增加一个纵轴。 在“Trace Expression”文本框中键VP（Vo1，Vo2），即显示出相频响应。*2.计算图4.2电路的上限截止频率、电压增益和输入、输出阻抗。(li2_4_1)图4.23电路如图4.3，计算电路的电压增益、通频带、输入、输出阻抗。(li6_1_2)图4.34.分析计算理想对称差动放大电路的基本特性，包括小信号差模特性和共模特性。电路如图4.4，输入为正弦信号。(li6_2_1)（1）设差模输入，求 的幅频特性，确定低频电压增益及,观察的值。（2）设共模输入，求 的幅频特性，确定低频电压增益,观察的值。图4.4 理想对称差

11、动放大电路5.分析计算非理想对称差动放大电路的基本特性。电路如图4.5。(li6_2_2)（1）作直流分析，求静态工作点，观察ICQ1和ICQ2的值。（2）设，求。若下一级电路也是差放电路，该结果会产生什么影响。（3）设，求。若下一级电路也是差放电路，该结果会产生什么影响。图4.5 非理想对称差动放大电路*6有源负载的共发射极放大电路如图4.6所示。要求：（1）求电路的直流传输特性，确定电压Vbb处在什么范围电路工作在线性放大状态；（2）调节Vbb使静态输出电压约为Vcc/2，并求此时的静态工作点；（3）求电路的电压增益，输出电阻RO、上限截止频率；（4）若输出端接有负载电阻RL=100k,重

12、复以上计算。 （li6_1_4）图4.6 有源负载共发射极放大电路（二）噪声分析*7.对图4.7所示差动放大电路进行噪声分析。(zaosheng)图4.7 噪声分析步骤：（1）用Capture软件画好电路图。建立模拟类型分组并设置参数。意思是以Vo1作为输出节点，以Vs作为等效噪声源，每隔30个频率点输出一份噪声资料。设置完后按“确定”键。 （2）运行PSPICE。 （3）查看分析结果。在Probe窗口中，执行Trace/Add Trace命令，用光标点选V（INOISE）、V（ONOISE），即显示出指定输入端、输出端的等效噪声电压与频率的关系曲线。点选Trace/Add Y Axis ，增

13、加一个纵轴。在“Trace Expression”文本框中键DB（V（INOISE）、DB（V（ONOISE）即显示出噪声电压幅频特性。 实验五 瞬态特性分析一 实验目的：1. 掌握用于瞬态分析的5种激励信号源；2.掌握瞬态分析方法。二 实验内容：*1.一个阻尼振荡电路如图5.1，求其振荡波形。(li2_5_1)图5.1 阻尼振荡电路步骤：（1）用Capture软件画好电路图。正确设置输入信号。（2）建立模拟类型分组并设置参数。（3）运行PSPICE并查看分析结果。 *2.单管放大电路如图5.2所示。(li2_6_1)求：(1)调节偏置电压Vbb使晶体管的静态电流ICQ1mA 。 (2)输入信

14、号为,求输出电压的波形。图5.2 单管放大电路3二极管双向限幅电路如图5.3。(li5_1_2)求：（1）作电路的直流传输特性，说明二极管的工作状态变化。（2）设输入信号是幅度为1V，频率为1KHz的正弦电压，求Vo的波形。（3）设输入信号是幅度为4V，频率为1KHz的正弦电压，求Vo的波形。图5.3 二极管双向限幅电路4二极管半波整流滤波电路如图5.4。(ti5_1_6)（1）设电容C1=0,求Vout及iD的波形。（2）设电容C1=10uF,求Vout及iD的波形。图5.4 二极管半波整流滤波电路5二极管全波整流电路如图5.5。(ti5_1_7)（1）设电容C1=0,求Vout及iD的波形

15、。（2）设电容C1=10uF,求Vout及iD的波形。思考：比较与上题的半波整流滤波电路的异同。图5.5 二极管全波整流电路*6电路如图5.6。（1）调节Vbb,使ICQ2.5mA,并求此时的静态工作点。（2）求输出电压的幅频响应和相频响应。（3）设，求ic、Vout的波形.（ti5_2_8）图5.6 7图5.7是简单锯齿波发生器的原理电路。(li5_2_3)求：晶体管集电极电流ic及输出电压Vout的波形，分析电路的工作过程及晶体管的开关作用。图5.7 简单锯齿波发生器原理电路实验六 温度分析、参数扫描分析一 实验目的：1掌握温度分析；2掌握参数扫描分析。二 实验内容（一）温度分析*1. 电

16、路如图6.1。求当输入信号为，温度为-50 、0、 27、100时的双端输出电压波形。(wendu)图6.1 温度分析步骤：用Capture软件画好电路图。建立模拟类型分组并设置参数。运行PSPICE并查看分析结果。（二）参数扫描分析*1.基本放大电路如图6.2。(1)输入端加一正弦信号，分析当基极电阻Rb变化时，对输出波形的影响；(2)求Rb为多大时,Ic3mA,并求此时电路的静态工作点。(canshusaomiao)图6.2 参数扫描分析步骤：（1）用Capture软件画好电路图，并作如下修改： 将基极电阻Rb设置为参数。用鼠标左键双击Rb的阻值360k，在出现的“Display Prop

17、erties”设置框中，将其值改为Rval(注：大括号不能省略)。 用参数符号设置阻值参数。从SPECIAL库中调出名为PARAM的符号，放在Rb旁。双击该符号，屏幕上出现元器件属性编辑器。按New按钮，在新增属性参数对话框的Proprety栏中键入Rval和阻值（表示进行其它分析时的阻值为10k）并按OK按钮。 （2）建立模拟类型分组并设置参数。 基本分析类型参数设置： 参数扫描分析类型参数设置：（2）运行PSPICE并查看分析结果。*2.电路如图6.3，求：(1)当Re=100时,调节直流电压Vbb,使ICQ1mA；(2)输入信号为幅度为0.1V,频率为1KHz的正弦波,求Re=50,10

18、0时的输出电压波形；(3)求此电路的放大倍数,fL，Ri, Ro,考察此电路的带负载能力。（ti6_1_2）图6.3实验七 蒙托卡诺分析、最坏情况分析一 实验目的：1.掌握蒙托卡诺分析；2.掌握最坏情况分析。二 实验内容：*1一个带通滤波网络如图7.1所示。网络中三个电容的容值为0.0039uF，容差为15%，试用蒙托卡诺分析计算输出电压的频率响应的变化。（mengtuokanuo）图7.1蒙托卡诺分析步骤：（1）用Capture软件画好电路图。 C1、C2、C3为BREAKOUT库中的元件Cbreak。 对C1、C2、C3作如下修改：选中整个电容，Edit/PSPICE Model，并作如下

19、修改：双击整个电容进行属性设置，将其值设置为0.0039u并将其显示：（2）建立模拟类型分组并设置参数。 基本分析类型参数设置： 蒙托卡诺分析参数设置：（3）运行PSPICE并查看分析结果。*2.对图7.2所示滤波器电路的频率响应进行最坏情况分析，滤波器中三个电容值为0.0039uF,容差为15%，电感值为19.1H,容差为20%。(zuihuai)图7.2最坏情况分析步骤：（1）用Capture软件画好电路图。 C1、C2、C3为BREAKOUT库中的元件Cbreak；L为BREAKOUT库中的元件Lbreak。 对C1、C2、C3、L进行修改：选中整个器件，Edit/PSPICE Mode

20、l，并修改如下：双击整个电容进行属性设置，将其值设置为0.0039u，并在电路图中显示；双击整个电感进行属性设置，将其值设置为19.1，并在电路图中显示。（2）建立模拟类型分组并设置参数。 基本分析类型参数设置：最坏情况分析参数设置：（3）运行PSPICE并查看分析结果。3差动放大电路如图7.3，电阻Rbias的阻值为20K，误差为10%，求最坏情况时，输出有多大的偏移量。(zuihuai2）图7.34电路如图7.4，求：（1）求电路的直流工作点；（2）求节点out1的直流灵敏度；（3）求电压增益、输入电阻、输出电阻、通频带；（4）已知信号源：幅度为10mV,频率为1KHz的正弦波，求out节

21、点的输出电压波形；（5）调节电阻Rb1，使电路直流工作点ICQ2mA；（6）电阻Rb1的误差为10%，电阻Rb2的误差为5%，V(out)减小为最坏方向，求电路元件取标称值和最坏情况时的输出电压幅值；（7）求RL为1k50k时，输出电压的幅频响应与RL的关系曲线。图7.4实验八 综合实验一、实验目的：1掌握基本运算电路的分析与设计；2掌握有源滤波电路的分析与设计；3掌握整流电路的分析与设计；4掌握波形产生电路的分析与设计；5掌握电压比较电路的分析与设计。二、实验内容：（一）模拟运算及处理电路*8.1.1反相电压放大电路如图8.1.1，求：（1）V(Vo1)和V(Vo)；（2）计算电路的开环电压

22、增益、闭环电压增益、上限截止频率、输入电阻Ri；如不加第一级跟随器，求电路的输入电阻Ri。（3）若输入信号是高、低电平分别为+1V，-1V，周期为80us的方波脉冲，求输出电压Vo1、Vo波形，确定其转换速率SR（li8_2_1）图8.1.1反相电压放大电路8.1.2 在实际应用中，为了使用阻值较小的电阻，达到数值较大的比例系数，并且具有较大的输入电阻，可采用T型网络反相比例电路，电路如图8.1.2。运放工作电压为12V。图8.1.2 T型网络反相比例电路（1）求电阻R4为多少时，电路的放大倍数为100倍。（2）若用R2代替T型网络，当放大倍数为100时，R2=？8.1.3图8.1.3是采用自

23、举扩展原理组成的高输入电阻反相电压放大电路，运放U1组成反相比例运算电路，U2为辅助放大电路，它在电路内部提供部分信号电流(i2)，以减少输入电流ii，提高输入电阻Ri。试计算电阻R7开路和分别为15K、12K、11K、10.5K时的电压增益及输入电阻。若R7=10K和小于10K会发生什么现象？ （ti8_2_2）图8.1.3 高输入电阻反相电压放大电路8.1.4反相比例加法运算电路如图8.1.4，验证电路功能。（fxbljf）图8.1.4反相比例加法运算电路8.1.5减法电路如图8.1.5，验证电路功能。(jianfa)图8.1.5减法电路8.1.6电路如图8.1.6，求：（1）三极管的c,

24、b,e各级的电位值（2）输出电压的值。(ti2_3_5)图8.1.6*8.1.7积分电路如图8.1.7，求电阻R1分别为2K和4K时，（1）设输入信号是幅度为1V，持续时间分别为1ms、4ms的阶跃信号，求输出电压波形。（2）设输入信号是幅度为1V，频率为1KHz的正弦波，求输出电压波形。（3）设输入信号是高、低电平分别为+1V、-1V，周期为2ms的方波电压，求输出电压波形和上升、下降速率。（4）若将上述输入方波电压的周期改为12ms，求输出电压波形。（5）设R1=10K，C1=5nF，设输入信号为下图，求输出电压波形，。(li8_2_2)图8.1.7 积分电路8.1.8图8.1.8所示为同

25、相积分电路。（1）设输入电压，求输出电压波形，确定其峰峰值。（2）设输入电压是高、低电平分别为+1V和-1V，周期为2ms的方波，求输出电压波形，确定该波形的峰峰值及上升、下降速率。（ti8_2_6）图8.1.8 同相积分电路8.1.9图8.1.9所示为积分时间常数取值范围很宽的积分电路，通常取R1=R3，R2=Rf，它可实现的运算。（1）作直流分析，求电路的直流工作点；（2）设输入信号，求vo的波形；（3）设输入信号是高、低电平分别为+1V，-1V，周期为2ms的方波，求输出电压波形，确定其幅度及上升、下降速率；（4）如果输入信号是高电平为1V，低电平为0V，周期为2ms的方波（t=0时为低

26、电平），将会发生什么现象？(ti8_2_7)图8.1.9 宽范围积分电路8.1.10 电路如图8.1.10。运放选用LF411，电源电压为15V，电容器的初始电压。（1）当输入电压vi的幅度为1V，频率为1K的方波时，求输出电压的波形；（2）去掉电阻R2,重复（1）；（3）输入脉冲电压信号，正向幅度为9V，宽度为10us，负向幅度为-1V，宽度为90us，周期T为100us，求输出电压的波形。（li8_1）图8.1.108.1.11 积分电路如图8.1.11，运放选用uA741，供电电源为12V。已知初始状态时Vc(0)=0。(1)当R=100k，c=2uF时，若突然加入vi(t)=1的阶跃电

27、压，求1s后输出电压vo的值；（2）当R=100k，c=0. 47uF时，输入电压波形如图，求输出电压vo的波形，并标出vo的幅值和回零时间。（ti2_4_8）图8.1.11*8.1.12如图8.1.12所示为一微分电路，运放选用uA741。（ti8_2_8）（1）设电阻R1=0,输入信号vi分别是：高、低电平分别为+1V,-1V，周期为20s的方波；幅度为1V，周期为40ms的三角波，求输出电压的波形。（2）设电阻R1=1K，2.5K，5K，输入信号不变，求这三种情况下输出电压的波形。通过上述计算，观察电阻R1的补偿作用。（3）设输入信号为正弦波：，求输出波形？图8.1.12 微分电路8.1

28、.13电路如图8.1.13，运放为uA741，若输入电压vi1,vi2的波形如图，求t=0-1s和t=1-2s时输出电压的波形。(weifen2)图8.1.138.1.14图8.1.14所示是增益可调的差动放大电路，调节电阻R7可以改变电压增益。计算电阻R7从110K变化时（低频）电压增益的变化曲线，确定增益的调节范围。(ti8_2_5)图8.1.14 增益可调的差动放大电路（二）有源滤波电路8.2.1二阶有源低通滤波器如图8.2.1。求截止角频率和通带电压增益，并画出其波特图。(erjieyouyuanditong)图8.2.1 二阶有源低通滤波器8.2.2 四阶巴特沃思低通滤波器如图8.2

29、.2。求通带增益、截止频率和幅频特性曲线。(sijiebatewosiditong)图8.2.2 四阶巴特沃思低通滤波器8.2.3二阶有源高通滤波器如图8.2.3。求截止角频率和通带电压增益，并画出其波特图。(erjieyouyuangaotong)图8.2.3 二阶有源高通滤波器8.2.4 四阶巴特沃思高通滤波器如图8.2.4。求通带增益、截止频率和幅频特性曲线。(sijiebatewosigaotong)图8.2.4 四阶巴特沃思高通滤波器8.2.5 二阶有源带通滤波器电路如图8.2.5。求中心频率和带宽BW，以及电路的幅频特性曲线。(erjieyouyuandaitong)图8.2.5

30、二阶有源带通滤波器*8.2.6二阶有源带通滤波器如图8.2.6。求带宽BW及电路的幅频特性曲线。(erjieyouyuandaitong2)图8.2.6 二阶有源带通滤波器8.2.7二阶压控电压源低通滤波器电路如图8.2.7所示，一般取R1=R2=R，C1=C2=C。运放选用uA741，工作电压为12V。(li8_2_3)（1）设R=10K，C=0.01uF，RF=7.5 K，R3=10K。计算电路的频率响应特性，确定通带电压增益，截止频率。（2）设R3=10K，反馈电阻RF分别为0, 10K, 15K,18K,求电路的频响特性，简单讨论Q值的大小对频率响应特性的影响。图8.2.7 二阶压控电

31、压源LPF8.2.8如图8.2.8为全通滤波器。设。求电路幅频特性与相频特性曲线，说明电路的功能及特点。（ti8_2_11）图8.2.8全通滤波器（三）精密整流电路8.3.1图8.3.1所示为精密半波整流电路，运放采用uA741。（1）计算电路的直流传输特性； （2）设输入信号是幅度为1V，频率为1kHz的正弦信号，求输出电压vo1,vo2的波形，确定其幅值。(ti8_2_9)图8.3.1 精密半波整流电路8.3.2 精密全波整流电路如图8.3.2所示。求输出电压波形。图8.3.2 精密全波整流电路（四）波形产生电路8.4.1 方波-三角波发生电路如图8.4.1。求vo1,vo2的输出电压波形

32、。图8.4.1 方波-三角波发生电路（五）电压比较器8.5.1如图8.5.1所示是用通用集成运放和集成电压比较器构成的简单比较器电路。其中，运放型号为uA741，比较器型号为LM111。（1）设基准电压Vref=2V，vi是高电平为3V，低电平为0V，周期为60us的方波脉冲，分别求输出电压vo1,vo2的波形，观察二者的响应时间有何不同。（2）设基准电压Vref=2V，输入电压vi是一直流扫描电压，作直流传输特性，观察二者的灵敏度有何不同。（3）设基准电压Vref=0V，输入电压是幅度为2V，频率为1KHz的正弦波，求输出电压vo1,vo2的波形，说明电路的功能。（li8_3_1）图8.5.

33、1 简单电压比较器*8.5.2图8.5.2是由LM111组成的滞回比较器的原理图。(li8_3_2)（1）设R1=R2=10K,输入电压Vi是幅度为10V，周期为20us的三角波，求基准电压Vref分别为2V、-2V时的输出电压波形，确定其上、下阈值电压Vth1、Vth2，讨论Vref对传输特性的影响。（2）设Vref=0，R1=10K，Vi波形同（1），求R2分别为10K，5K时的输出电压波形，确定其上、下阈值电压Vth1、Vth2，讨论反馈系数Fv=R1/(R1+R2)对传输特性的影响。(3)设Vref=2V，R1=R2=10K，输入电压是低电平为-5V，高电平是5V，上升沿与下降沿均为1

34、us，周期为10us的脉冲，求输出电压Vo的波形,观察电路的波形整形作用。图8.5.2 滞回比较器8.5.3如图8.5.3所示为窗口检测电路(窗口比较器)的原理图,电压比较器选LM111。设Vref1=4V, Vref2=-4V,求电路的直流传输特性,说明电路的功能。（li8_3_3）图8.5.3 窗口检测电路(窗口比较器)8.5.4电路如图8.5.4。它的输出具有高、低及零三种电平，称为三态比较器。设，求电路的直流传输特性，说明其特点。(ti8_3_12)图8.5.4 三态比较器*8.5.5 电路如图8.5.5。运放电源电压为12V。设输入电压为，VM是幅度为16V(-8V8V),频率为100Hz的理想锯齿波，求vo1，vo2，vo的波形，分析电路功能。(ti8_3_5)图8.5.5